MODEL COMPACT PENTRU TRANZISTOARE MOS 2012-10-01¢  MODEL COMPACT PENTRU TRANZISTOARE MOS...

download MODEL COMPACT PENTRU TRANZISTOARE MOS 2012-10-01¢  MODEL COMPACT PENTRU TRANZISTOARE MOS SUBMICRONICE

of 32

  • date post

    06-Feb-2020
  • Category

    Documents

  • view

    8
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of MODEL COMPACT PENTRU TRANZISTOARE MOS 2012-10-01¢  MODEL COMPACT PENTRU TRANZISTOARE MOS...

  • MODEL COMPACT PENTRU TRANZISTOARE MOS SUBMICRONICE

    PENTRU APLICATII ANALOGICE

    Gheorghe Brezeanu, Andrei Sevcenco

    Facultatea de Electronica, Telecomunicatii şi Tehnologia Informaţiei

    Universitatea POLITEHNICA Bucuresti

    Gheorghe Brezeanu, Andrei Sevcenco

  • �Evolutia tehnologiei CMOS

    �Saturatia vitezei. Degradarea mobilitatii

    Cuprins

    Diaspora 2012

    �Model compact al tranzistorului MOS

    �Comparatii model –date experimentale

    �Concluzii

  • � Tranzistorul bipolar – începutul microelectronicii � Descoperire importanta a sec. 20 � Dec. 1947 patent-tranz.cu contact punctiform-amplificator � Sept. 1951, tranzistorul cu joncţiuni

    Microelectronica

    Diaspora 2012

  • Circuite Integrate- aplicaţii

    Impactul industriei semiconductoare este uriaş în multiple domenii:

    PC/ laptopuri Carduri Comunicaţii / telefonie mobilă Multimedia( tv, jurnale electronice) Sisteme audio & video portabile

    Diaspora 2012

    Sisteme audio & video portabile Electronică medicală Electronică auto GPS – Global Positioning System Aplicaţii militare Explorarea spaţiului

  • Inceputul CI 1959- primul TB planar

    Diametru -30 inch

    Dimensiunea minimă-3 inch

    1962 – primul CI

    Produs de Fairchild

    4 tranzistoare + 6

    Diaspora 2012

    4 tranzistoare + 6 rezistoare

    6 fire de conexiune

    Încapsulat în TO5

    1965- Micrologic circuit

    Produs de Fairchild

    50 componente

  • Scalarea lungimii canalului Dimensiuni nanometrice

    Diaspora 2012

    �Tehnologii CMOS

    �2 ani rata de innoire

    �Circuite VLSI digitale

  • Scalarea lungimii canalului Previziuni

    Diaspora 2012

    � Nanofire

    �Conexiuni optice

    �Litografie computationala

  • INTEL - Evolutia microprocesoarelor Multi -cores

    Diaspora 2012

  • Microelectronica

    Preţul unui tranzistor din CI echivalează azi costul tipăririi unui caracter (literă) într-o publicaţie oarecare; Acum o memorie DRAM de 4MB si 4milioane de tranzistoare costă mai puţin decât un tranzistor

    Diaspora 2012

    tranzistoare costă mai puţin decât un tranzistor în 1960; Nr. de caractere din toate tipăriturile depăşeşte cu doar un ordin de mărime nr. de tranzistoare incluse în CI fabricate până în prezent.

  • nMOS –Structura tridimensionala

    Diaspora 2012

  • nMOS –Efecte de canal scurt

    E E y y+dy

    x

    Diaspora 2012

    � - campul transversal - degradarea mobilitatii � - campul longitudinal – saturatia vitezei

    xξ ξ

  • � - campul electric transversal

    � - campul transversal critic

    Degradarea mobilitatii

    , 1.5x C V mξ µ=

    ( ) 2 ( ) 6

    OV T cS x

    ox

    V V V y y

    t ξ + −≅

    0

    ,

    ( ) ( )

    1 x x c

    y y

    µµ ξ ξ

    = +

    Diaspora 2012

    � - tensiunea de comandă efectivă

    � - tensiunea de prag

    � - grosimea oxidului de poartă

    TV

    OV GS TV V V= −

    oxt

  • � - viteza purtatorilor mobili în canal

    � - campul electric vertical/longitudinal

    Saturatia vitezei

    ( ) cSVy L

    ξ =

    ( )( ) 1 ( )

    ( ) 1 ( ) c

    y v y

    y α α

    µ ξ

    ξ ξ =

    +

    ( )v y

    Diaspora 2012

    � - campul electric vertical/longitudinal

    � - campul (vertical)critic

    � - pt. goluri(p- MOS)/electroni(n -MOS)

    1.5C V mξ µ=

    1/ 2α α= =

    L

  • MOS – regiuni de funcţionare

    Diaspora 2012

  • Modelarea in inversie puternica(1)

    - Sarcina purtatorilor mobili din canal - Capacitatea oxidului de poarta

    ( ) ( )D II Wv y Q y=

    ( )( ) ( )I ox GS T cSQ y C V V V y= − −

    1/

    ( ) [ ( ( ))]

    cS

    D ox GS T cS

    dV y

    dy I W C V V V y αα

    µ = − −

     

    oxC

    Diaspora 2012

    1/[ ( ( ))]

    1

    D ox GS T cS

    cS c

    I W C V V V y dV

    dy

    αα

    ξ

    = − −     +      

    1/

    00 0

    ,

    ( ) 1

    2 ( ) 1

    DSL V OV cScS D c ox cS

    OV T cS

    GS C

    V V ydV I dy WC dV

    V V V ydy V

    α α

    ξ µ    −  + =  + −   + 

    ∫ ∫

  • Modelarea in inversie puternica (2)

    - Tensiunea de drenă critică

    - Tensiunea de poarta critică

    ( )0 , , , ,

    ,

    1 2 ln 1

    21

    DS D ox GS C DS GS C GS C T

    DS OV T GS C

    DS C

    W V I C V V V V V

    VL V V V V

    µ   

    = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ −   + +   +

    ,DS C cV aLξ=

    , ,6GS C x c oxV tξ=

    Diaspora 2012

    ( ) 2

    ln 1 . 1 2

    x x x pt x+ ≅ −

  • MOS – regiuni de funcţionare

    Diaspora 2012

  • Curentul de drena in zona de trioda

    ( ) 2 ,

    1 1 1

    21 D eff ox OV OV DS DS

    DS

    DS C

    W I C V V V V

    VL V

    µ  ≅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ − ⋅  +

    OVVV =

    ( ) 0

    2

    ,

    1 2 11

    eff T

    OV

    GS C

    V V V

    µµ = ⋅ ++

    � Modelul nou

    - Mobilitatea efectivă la campuri longitudinale mici

    - Tensiunea de comanda efectiva normata

    Diaspora 2012

    2 0

    1

    2D ox OV DS DS W

    I C V V V L

    µ  ≅ ⋅ ⋅ −  

    ,2 OV

    OV T GS C

    V V

    V V =

    + - Tensiunea de comanda efectiva normata

    � Modelul clasic

    ,OV GS T GS CV V V V= −

  • Curentul de drena in zona activa (1)

    � Modelul nou

    - tensiunea de drena la limita intre zona de trioda si zona activa

    2 ,2

    , , 2 ,

    1 .

    2 DS act

    D eff ox DS act D C DS C

    VW I C V I

    L V µ= ⋅ ⋅ =

    ( ), , ,

    1 2 1 1OVDS act DS C OV DS C

    V V V V

    V

      = + ⋅ + − 

       

    2 , ,

    1 .

    2D C eff ox DS C W

    I C V L

    µ= ⋅ ⋅ - curentul de drena critic

    Diaspora 2012

    2 2 0 , 0 ,

    1 1

    2 2D ox DS act ox DS OV W W

    I C V C V L L

    µ µ≅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅

    � Modelul clasic

    , ,.2D C eff ox DS C I C V

    L µ= ⋅ ⋅

    ( ), ,OV GS T GS C DS DS CV V V V V V= −

  • Curentul de drena in zona activa (2) Cazuri limită

    � Tensiune de comandă mică

    2 ,2

    , , 2 ,

    1 .

    2 DS act

    D eff ox DS act D C DS C

    VW I C V I

    L V µ= ⋅ ⋅ =

    ,DS act OVV V≅ 2

    0

    1 .

    2D ox OV W

    I C V L

    µ= ⋅ ⋅

    ( ), ,OV GS C OV DS CV V V V

    ( ), ,2 1DS act OV DS C OVV V V V≅ +

    � Tensiune de comandă medie

    , ,DS act DS CV V= 2

    , ,

    1 .

    2D D C eff ox DS C W

    I I C V L

    µ= = ⋅ ⋅

  • nMOS - comparatie model - experiment

    0.5

    1.0

    1.5

    2.0

    2.5

    nMOS

    W=5.62µm, L=0.6µm V

    DS = 1V

    V DS

    = 2V

    D ra

    in C

    ur re

    nt , I

    D (m

    A )

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1.0

    1.2

    nMOS W=5.62µm, L=0.6µm

    V DS

    = 1V

    V DS

    = 2V

    V DS

    = 3V

    D ra

    in C

    ur re

    nt , I

    D (m

    A )

    Diaspora 2012

    0 1 2 3 4 5

    0.0

    Overdrive Voltage, V OV

    (V) (a)

    0 1 2 3 4 5

    0.0

    Drain Voltage, V DS

    (V) (b)

    Caracteristici de transfer Caracteristici de iesire Date experimentale - simboluri

    Model complet - linie intrerupta

    Model simplu(fara degradarea mobilitatii) - linie continua

  • pMOS - comparatie model - experiment

    0.0

    0.5

    1.0

    1.5

    pMOS

    W=5.62µm, L=0.6µm V

    DS = 1V

    V DS

    = 2V

    D ra

    in C

    ur re

    nt , I

    D (m

    A )

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    0.6

    0.7

    pMOS

    W=5.62µm, L=0.6µm V

    GS = 1V

    V GS

    = 2V

    V GS

    = 3V

    D ra

    in C

    ur re

    nt , I

    D (m

    A )

    Diaspora 2012

    Caracteristici de transfer Caracteristici de iesire Date experimentale - simboluri

    Model complet - linie intrerupta

    Model simplu(fara degradarea mobilitatii) - linie continua

    0 1 2 3 4 5 Overdrive Voltage, V

    OV (V)

    (a)

    0 1 2 3 4 5

    0.0

    Drain Voltage, V DS

    (V) (b)

  • Comparatie model – experiment

    Characteristic Device W/L Model error (%)

    Simplu Complet ID – VDS VGS = 3V

    nMOS 0.7/0.6 5.68 0.35

    nMOS 5.62/0.6 4